Въглеродни влакна в 3D печат: Как адитивното производство преобразува композитните части

Въглеродни влакна в 3D печата: където добавъчното производство се среща с високопроизводителни композити

В продължение на години въглеродните влакна и 3D принтирането живеят в отделни светове. Композитите принадлежат на автоклавите, формите и квалифицираните ламинатори. Адитивното производство принадлежи на прототипите, скобите и пластмасите, които бяха евтини, но слаби. Тази раздяла е изчезнала. Въглеродните влакна в 3D печата сега са истински производствени маршрути и тихо са променили това, което принтерът може да изгради.

Причината е проста. Печатът дава свобода на геометрията, докато въглеродните влакна дават твърдост и сила. Поставете двете заедно и получавате части, които са леки, твърди и оформени по начини, които формацията не може лесно да копира. За индустрии, които се нуждаят от персонализирани структури в ниски до средни обеми, тази комбинация е трудно да се игнорира.

Тази статия обхваща как въглеродните влакна се използват в адитивното производство, кои материални форми работят най-добре, методите за печат, които имат значение, и какво купувачите трябва да обмислят, преди да специфицират печатни композитни части.

1. Защо добавъчното производство се нуждае от по-твърд материал

Стандартните нишки за печат като PLA, PETG и ABS са удобни, но техните механични граници се появяват бързо. Печатната скоба се огъва. Отпечатан джиг се движи под натоварване. Печатен корпус пълзи в топли условия. Инженерите бързо достигат до точката, където само геометрията не може да компенсира мекия материал.

1.1 Пробелът в твърдостта в пластмасовите части

Модулът на опън за обикновените пластмаси за печат е в нисък диапазон, често между 2 и 3,5 GPa. Алуминието е около 70 GPa. Тази пропастта обяснява защо печатните пластмасови части се чувстват гъвкави и защо рядко се доверяват на тях за структурна работа. Добавянето на въглеродни влакна не превръща пластмасата в метал, но може да повиши твърдостта няколко пъти и едновременно да намали топлинното разширение.

1.2 Какво въглеродните влакна всъщност променят

Нарязаното или непрекъснато армиране с въглеродни влакна подобрява три неща наведнъж: твърдост, стабилност на измеренията и издръжливост. Частите поддържат формата си по-добре при натоварване, по-малко се изкривяват, когато се нагряват, и устояват на деформация по-дълго. Компромисът е, че материалът става по-абразивен, по-скъп и по-малко прощаващ за печат, затова контролът на процеса е по-важен от обикновеното нило.

2. Основните пътища към въглеродни влакна 3D печат

Няма единен начин за отпечатване на композити от въглеродни влакна. Четири подхода обхващат повечето индустриални и работилни приложения днес и всеки от тях отговаря на различен баланс между разходите, силата и сложността.

2.1 Кратки влакна подсилени нишки печат

Това е най-достъпният път. Нарязаните въглеродни влакна се смесват в термопластична пелета, след което се екструдират в нишка за FDM принтери. Частите, изработени по този начин, са по-твърди и по-стабилни от неосилените пластмаси, а изискванията за оборудване са скромни.

Ограничението е дължината и ориентацията на влакната. Влакната са кратки и случайно разпределени, така че укрепването е еднакво, но умерено. Този маршрут е подходящ за арматури, джигове, корпуси и функционални прототипи, а не за основни конструктивни елементи.

2.2 Непрекъснат печат с влакна

Непрекъснатият печат с влакна захранва суха въглеродна влакна или предварително импрегнирана нишка до термопластичната, полагайки дълги влакна точно там, където пътува товарът. Резултатът е истинска композитна структура, а не пълна пластмаса.

Силата и твърдостта скочат драматично в сравнение с краткия печат с влакна, защото влакното носи натоварване непрекъснато. Дизайнерите могат да подравнят влакната по ос на огъване или около дупка, където печатните части обикновено се провалят. Този метод е по-бавен и изисква специален хардуер, но за структурни скоби и носещи рамки често това е единственият печатен вариант, който работи.

2.3 Пелети и екструзия с голям формат

Принтерите на базата на пелети напълно пропускат нишката и екструдират въглеродно влакно укрепена термопластика директно от пелетите. Разходите за материали намаляват, скоростта на отлагане се увеличава и размерът на частта расте. Машините с голям формат в тази категория произвеждат форми, инструменти и огромни структури, които биха били непрактични за печат с нишка.

2.4 Композитен печат в комбинация с традиционния оформление

Хибридният подход отпечатва ядро или вътрешен скелет, укрепени с въглеродни влакна, след което покрива въглеродни влакна и смола ръчно или чрез вакуумна инфузия. Това съчетава геометричната свобода на печата с високата част от обема на влакната от класическата композитна работа. Това е често срещано при инструментиране, прототипи и производство с ниски обеми, където производителността е по-важна от времето на цикъла.

3. Материални форми, които хранят процеса

Качеството на печатния композит зависи в голяма степен от входния материал. Различните форми на влакна служат на различни стратегии за печат и разбирането им помага на купувачите да определят правилния клас.

3.1 Нарязани и мелени въглеродни влакна

Нарязаните въглеродни влакна и фрезените сортове са работните коне на производството на нишки и пелети. Дължината на влакната се контролира по време на рязане и директно засяга твърдостта, поведението на потока и повърхностното завършване. По-късите влакна печатат по-лесно, докато по-дългите влакна укрепват по-добре.

3.2 Непрекъснато теглене и предварително прегримиране

Непрекъснатият печат с влакна разчита на въглеродни влакна, понякога предварително импрегнирани с смола. Спецификациите за теглене като брой нишки и съвместимост с размера определят колко добре влакната се свързват с термопластичната матрица. Изборът на теглене, чийто размер съответства на полимера, е един от най-често пренебрегваните детайли в печатната композитна работа.

3.3 Поддръжни материали в една и съща конструкция

Композитните части рядко са един материал. Арамидните влакна и продуктите от предварително окислени влакна, включително преждата от окислени влакна и филцът от окислени влакна, се появяват в печатни сглобявания, където се изисква толерантност към удар, устойчивост на пламък или топлоизолация. Например, печатната рамка на дрон може да използва въглеродни влакна за твърдост и арамид за зоните, които се ударят.

4. Където печатните части от въглеродни влакна вече работят

Технологията е преминала през демонстрационните части. Тези приложения се използват редовно днес.

4.1 Инструменти, джигове и арматури

Производствените инженери използват печатни въглеродни влакна за сондажни установки, уреди за подравняване, измерватели за проверка и монтажни средства. Тези части често са еднократни или с малък обем, а печатът премахва както разходите за мухъл, така и времето за доставка. Твърдостта на подсиления материал поддържа фиксацията точна чрез многократна употреба.

4.2 Авиокосмически и безпилотни системи

Безпилотните летателни средства, рамките на дроновете и малките сателитни компоненти се възползват от печатните въглеродни влакна, защото всяка итерация на дизайна променя геометрията. Печатът позволява на екипите да тестват нова рамка за дни, вместо да чакат инструменти. Спестяването на тегло се превежда директно в време на полет и капацитет за полезен товар.

4.3 Медицинско оборудване и протези

Персонализираната геометрия е нормална в медицинската работа. Печатните въглеродни влакна се използват за ортетични черупки, протезни компоненти, позициониращи рамки и аксесоари за изображения, където твърдостта, ниското тегло и немагнитното поведение имат значение. Дори когато отпечатаната част по-късно се заменя с форматирана производствена версия, печатът съкратява пътя от сканирането до монтирането.

4.4 Индустриално и автомобилно развитие

Автомобилните екипи печатат инструменти, укрепени с въглеродни влакна, хватки за края на ръката и прототипни конструктивни части. Програмите за състезания и моторни спортове разчитат на печатни композити за аеродинамични тестови части и вътрешни скоби. В индустриални условия отпечатаните въглеродни влакна роботи намаляват движещата се маса, което подобрява времето и точността на цикъла.

4.5 Енергийни, морски и спортни приложения

Екипите за вятърна енергия отпечатват композитни инструменти и вложки за остриета. Морските строители печатат форми и фитинги, които устояват на солена вода. Разработчиците на спортно оборудване печатат прототипни компоненти за велосипеди, остриета за гребене и защитни корпуси. Във всеки случай логиката е една и съща: персонализирана геометрия, скромни обеми и нужда от твърдост без тегло.

5. Правила за проектиране, които следват печатните композити

Проектирането за печатни въглеродни влакна не е същото като проектирането за формовани композити или за обикновен пластмасов печат. Няколко принципа решават дали част се изпълнява или се проваля.

5.1 Пътят на товара идва на първо място

С непрекъснато влакно дизайнерът контролира посоката на влакното, така че пътят на натоварването трябва да бъде определен преди геометрията да бъде финализирана. Влакната трябва да следват посоката на напрежението на частта. Устройката, която е силна в една ориентация, може да бъде слаба в друга и принтерът ще възпроизведе тази анизотропия точно както е проектирано.

5.2 Ориентация на слоя и анизотропия

Печатните части са най-слаби между слоевете. Всеки дизайн, който поставя основното натоварване през границите на слоя, кани за деламинация. Завъртането на ориентацията на изграждането или добавянето на непрекъснати цикли от влакна около критичната област обикновено го решава и това съображение трябва да се уреди по време на преглед на проектирането, а не след първата повреда.

5.3 Дебелина на стената и съдържание на влакна

По-дебелите стени и по-високото съдържание на влакна увеличават твърдостта, но също така увеличават времето за печат и риска от празнини. Има практичен диапазон за всеки принтер и материал, а надхвърлянето му обикновено води до вътрешни дефекти, които намаляват печалбата.

5.4 Контрол на износването на дюзата и процеса

Въглеродните влакна са абразивни. Стандартните месингови дюзи се износват бързо, а втвърдените стоманени или карбидни компоненти са норма. Температурата на печат, скоростта на потока и охлаждането трябва да бъдат настроени за укрепения материал и последователното сушене на материалите с нишки повече, отколкото очакват повечето оператори.

6. Сравняване на печатните композити с традиционното производство на композити

Печатът не е заменил оформянето, инфузията или пултрузата. Заема различно положение, а изборът обикновено се свежда до обема и геометрията.

6.1 Къде печатането печели

Печатът печели, когато геометрията е сложна, обемите са ниски, промените в дизайна са чести или частта просто не може да бъде формирана. Без разходи за инструменти, бърза итерация и интегрирани функции като канали, шефове и решеткови структури са реални предимства, които традиционните методи не могат да съответстват икономически при малък обем.

6.2 Където традиционните композити все още водят

Традиционните методи все още доминират там, където обемната фракция на влакната трябва да бъде висока, където се изисква качество на автоклава или където се произвеждат големи непрекъснати структури като корпуси на лодки, ветрови лопати и панели на самолети. Пултрудираните профили от въглеродни влакна и пресоотвърдените препрег части също осигуряват консистенция, която печатът все още не е съответствал в мащаб.

6.3 Използване и на двете в една и съща програма

Най-практическата стратегия често се комбинира. Екипите печатат инструменти от въглеродни влакна, за да произвеждат традиционни композитни части, печатат прототипни структури за изпитване, след което се преместват към производство с формуване или пултрудиране, след като дизайнът е фиксиран. Всеки метод прави това, в което е най-добър.

7. Какво купувачите трябва да попитате преди да посочите печатни въглеродни влакна

Закупуването на печатни композитни части или материала, който ги захранва, изисква същата дисциплина като всяко решение за придобиване на композитни части.

7.1 Форма и степен на влакна

Попитайте дали частта използва нарязани влакна, фрезирани влакна или непрекъснато теглене. Отговорът определя постижимата твърдост повече от всеки друг фактор. Поискайте номиналното съдържание на влакна и базовия полимер, тъй като и двете влияят на производителността и цената.

7.2 Механични данни и метод на изпитване

Печатните композити са анизотропни, така че един номер на опънане не е достатъчен. Търсете данни в няколко посоки и, когато е уместно, интерламинарни свойства. Доставчиците, които разбират печатните композити, ще предоставят данни за ориентация, а не общ материален лист.

7.3 Съгласуваност между партидите

Разпределението на дължината на влакната, размерът и съдържанието на влага влияят на печатаемостта. Консистентността от партида до партида е по-важна при печата, отколкото при много други процеси, защото малките промени се разпространяват директно в готовата част.

7.4 Поддръжка и съвети за прилагане

Материалът и процесът взаимодействат. Доставчикът, който може да консултира за формата на влакната, съвместимостта на размерите и параметрите на печата, значително съкратява цикъла на разработване, особено за екипите, които са нови в композитния печат.

8. Outlook: Печатните композити се превръщат в стандартна опция

Насоката на пътуването е ясна. Хардуерът на принтерите става все по-бърз и по-голям, системите за непрекъснати влакна стават по-способни и доставчиците на материали предлагат по-широка гама от усилени сортове. С подобряването им, печатните въглеродни влакна ще преминат от прототипни магазини към редовно производство за нарастващ списък от части.

За индустрията на композитите това е по-скоро добавително, отколкото конкурентно. Адитивното производство отваря нов път за продуктите от въглеродни влакна, който не се нуждае от мухъл, за да се превърне в готова структура. Това разширява пазара, а не го разделя.

Shanghai Tanchain New Material Technology доставя въглеродни влакна и арамидни материали във форми, които отговарят както на традиционното производство на композити, така и на разработването на печатни композити, включително теглене от въглеродни влакна, нарязани въглеродни влакна, въглеродни влакна, въглеродни влакна, въглеродни влакна, арамидни влакна, предварително окислени влакна и предварително окислени влакна. Екипите, работещи по 3D печат с въглеродни влакна, композитни инструменти или отпечатани структурни части, са добре дошли да се свържат с нас за подбор на материали и поддръжка на оферти.

Разгледайте нашата гама от продукти от въглеродни влакна и специални влакна или изпратете данните за заявлението си, за да можем да препоръчим правилния формуляр за влакна за вашия печатни композитен проект.